2022年秋新教材高中物理第四章光及其應(yīng)用第三節(jié)光的全反射與光纖技術(shù)課件粵教版選擇性必修第一冊(cè)

第三節(jié)光的全反射與光纖技術(shù)一、光的全反射現(xiàn)象1．填一填(1)光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)：折射率

的介質(zhì)稱為光密介質(zhì)，折射率

的介質(zhì)稱為光疏介質(zhì)。光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)是

的。(2)光的全反射：當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，折射角大于入射角且隨入射角的增大而增大，當(dāng)入射角達(dá)到一定角度，折射角變成90°，繼續(xù)增大入射角，折射角將大于90°，此時(shí)入射光線

被反射回光密介質(zhì)的現(xiàn)象。(3)臨界角：折射角等于

時(shí)的入射角，記作iC。較大較小相對(duì)全部90°光密光疏大于或等于×√√3．想一想如圖，讓一束光沿著半圓形玻璃磚的半徑射向玻璃磚，在底面上光發(fā)生反射和折射，逐漸增大入射角，為什么折射光線消失，只有反射光線？提示：因?yàn)槿肷浣谴笥诨虻扔谂R界角，發(fā)生了全反射現(xiàn)象。二、光導(dǎo)纖維的工作原理和應(yīng)用1．填一填(1)光導(dǎo)纖維是

原理的一個(gè)重要應(yīng)用。(2)構(gòu)造：光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱光纖，沿垂直光纖軸向的兩層結(jié)構(gòu)，外層的折射率_____

內(nèi)層的折射率，當(dāng)光在其中傳輸時(shí)，發(fā)生

。(3)應(yīng)用

①醫(yī)學(xué)上用來(lái)檢查人體消化道的

就利用了許多光纖組合成的光纜。

②光纖通信就是利用光纖傳遞信息的，其優(yōu)點(diǎn)是：容量大，

小、抗干擾性強(qiáng)。全反射小于內(nèi)窺鏡衰減全反射2．判一判(1)光導(dǎo)纖維內(nèi)芯折射率比外套的折射率小。

()(2)光在光導(dǎo)纖維中傳播時(shí)會(huì)在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射。

()(3)容量大和抗干擾能力強(qiáng)都是光纖通信的優(yōu)點(diǎn)。

()×√√3．選一選光纖通信是利用光的全反射將大量信息高速傳輸。若采用的光導(dǎo)纖維是由內(nèi)芯和外套兩層組成，下列說(shuō)法正確的是

(

)A．內(nèi)芯和外套折射率相同，折射率都很大B．內(nèi)芯和外套折射率相同，折射率都很小C．內(nèi)芯和外套折射率不同，外套折射率較小D．內(nèi)芯和外套折射率不同，外套折射率較大解析：光在光導(dǎo)纖維內(nèi)傳播而不折射出來(lái)，這是光在內(nèi)芯和外套的界面上發(fā)生全反射的緣故，因而內(nèi)芯的折射率一定大于外套的折射率，所以C正確。答案：C探究(一)全反射現(xiàn)象的分析[問題驅(qū)動(dòng)]光照到兩種介質(zhì)界面處，發(fā)生了如圖所示的現(xiàn)象。(1)上面的介質(zhì)與下面的介質(zhì)哪個(gè)折射率大？(2)全反射發(fā)生的條件是什么？提示：(1)下面的介質(zhì)折射率大。(2)一是光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)；二是入射角大于等于臨界角。

[重難釋解]1．判斷全反射問題的方法(1)確定光是從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)。(2)明確入射角大于等于臨界角。2．全反射遵循的規(guī)律發(fā)生全反射時(shí)，光全部返回原介質(zhì)，入射光與反射光遵循光的反射定律，由于不存在折射光線，光的折射定律不再適用。3．從能量角度來(lái)理解全反射當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，隨著入射角的增大，折射角也增大。同時(shí)折射光線強(qiáng)度減弱，即折射光線的能量減小，反射光線的能量增加，當(dāng)入射角達(dá)到臨界角時(shí)，折射光線消失，反射光的能量等于入射光的能量。[特別提醒](1)光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)是對(duì)確定的兩種介質(zhì)而言的，只對(duì)一種介質(zhì)，無(wú)法確定它是光疏介質(zhì)還是光密介質(zhì)。(2)不同光的臨界角：不同顏色的光由同一種介質(zhì)射向空氣或真空時(shí)，折射率越大的臨界角越小，越易發(fā)生全反射。

解決全反射問題的基本思路探究(二)全反射棱鏡的原理和應(yīng)用[問題驅(qū)動(dòng)]如圖為構(gòu)成“潛望鏡”的關(guān)鍵部件——全反射棱鏡中的光路圖。全反射棱鏡應(yīng)用了什么原理？提示：全反射棱鏡應(yīng)用了光的全反射，必須要滿足光發(fā)生全反射的條件。

[重難釋解]1．全反射棱鏡的作用及應(yīng)用(1)作用：橫截面是等腰直角三角形的棱鏡叫全反射棱鏡，全反射棱鏡是一種特殊的棱鏡，在光學(xué)儀器中用來(lái)改變光的方向。(2)應(yīng)用：對(duì)于精密的光學(xué)儀器，如照相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡等，就需要用全反射棱鏡代替平面鏡，以消除多余的像。2．應(yīng)用實(shí)例典例2(2020·全國(guó)卷Ⅱ)直角棱鏡的折射率n＝1.5，其橫截面如圖所示，圖中∠C＝90°，∠A＝30°，截面內(nèi)一細(xì)束與BC邊平行的光線，從棱鏡AB邊上的D點(diǎn)射入，經(jīng)折射后射到BC邊上。(1)光線在BC邊上是否會(huì)發(fā)生全反射？說(shuō)明理由；(2)不考慮多次反射，求從AC邊射出的光線與最初的入射光線夾角的正弦值。[素養(yǎng)訓(xùn)練]如圖所示，一束光從空氣垂直射到直角棱鏡的AB面上，

已知棱鏡材料的折射率為，則這束光進(jìn)入棱鏡后的光

路圖應(yīng)為

(

)2.(2019·全國(guó)卷Ⅲ)如圖，直角三角形ABC為一棱鏡的橫截面，∠A＝90°，∠B＝30°。一束光線平行于底邊BC射到AB邊上并進(jìn)入棱鏡，然后垂直于AC邊射出。

(1)求棱鏡的折射率；(2)保持AB邊上的入射點(diǎn)不變，逐漸減小入射角，直到BC邊上恰好有光線射出。求此時(shí)AB邊上入射角的正弦。探究(三)

光導(dǎo)纖維的原理和應(yīng)用[問題驅(qū)動(dòng)]如圖所示是光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)示意圖，其內(nèi)芯和外套由兩種光學(xué)性能不同的介質(zhì)構(gòu)成，內(nèi)芯對(duì)光的折射率要比外套對(duì)光的折射率高。在制作光導(dǎo)纖維時(shí)，選用的材料為什么要求內(nèi)芯對(duì)光的折射率要比外套對(duì)光的折射率高？提示：光只有滿足從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，才會(huì)發(fā)生全反射。而光導(dǎo)纖維要傳播加載了信息的光，需要所有光在內(nèi)芯中經(jīng)過若干次反射后，全部到達(dá)目的地，所以需要發(fā)生全反射，故內(nèi)芯對(duì)光的折射率必須要比外套對(duì)光的折射率高。

[重難釋解]1．光導(dǎo)纖維的構(gòu)造光導(dǎo)纖維一般由折射率較大的玻璃內(nèi)芯和折射率較小的外層透明介質(zhì)組成，如圖所示。實(shí)際用的光導(dǎo)纖維是非常細(xì)的特制玻璃絲，直徑在幾微米到一百微米之間，外層包上折射率比它小的材料，再把若干根光纖集成一束，制成光纜，進(jìn)一步提高了光纖的強(qiáng)度。2．光導(dǎo)纖維的原理全反射是光導(dǎo)纖維的基本工作原理。光在光纖內(nèi)傳播時(shí)，由光密介質(zhì)射入到光疏介質(zhì)，若入射角i≥C(臨界角)，光就會(huì)在光纖內(nèi)不斷發(fā)生全反射。3.光導(dǎo)纖維的折射率設(shè)光導(dǎo)纖維的折射率為n，入射光線的入射角為θ1，若進(jìn)入端面的折射光線傳到側(cè)面時(shí)恰好發(fā)生全反射，如圖所示。典例3如圖所示是一段長(zhǎng)直光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)化圖，光纖總長(zhǎng)為L(zhǎng)，已知光從左端射入光纖，在光纖的側(cè)面上恰好能發(fā)生全反射，若已知該光纖的折射率為n，光在真空中傳播速度為c，求：(1)光在該光纖中傳播的速度大?。?2)光從左端射入最終從右端射出所經(jīng)歷的時(shí)間。2. 如圖所示，AB為光導(dǎo)纖維，A、B之間距離為s，使一束光脈沖信號(hào)從光導(dǎo)纖維中間入射，射入后在光導(dǎo)纖維與空氣的界面上恰好發(fā)生全反射，由A點(diǎn)傳輸?shù)紹點(diǎn)所用時(shí)間為t，求光導(dǎo)纖維所用材料的折射率。一、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維 (選自魯科版新教材“物理聊吧”)美妙的彩虹，常引發(fā)人們產(chǎn)生美好的聯(lián)想，被比喻為“天空的微笑”“相會(huì)的彩橋”等。通常能看見的彩虹是紅色在外、紫色在內(nèi)，這被稱為“虹”。有時(shí)還能看見一組相對(duì)“虹”而言顏色較淡的彩色圓弧，紅色在內(nèi)、紫色在外，這被稱為“霓”(如圖)。根據(jù)下圖，與同學(xué)討論交流：(1)虹與霓的形成除了有光的折射外，還經(jīng)歷了什么過程？(2)我們看到的虹比霓亮得多，你能說(shuō)出其中的道理嗎？提示：(1)還經(jīng)歷了全反射過程。(2)虹在形成過程中，太陽(yáng)光在水珠中經(jīng)歷了一次全反射，而霓在形成過程中，太陽(yáng)光在水珠中經(jīng)歷了兩次反射，光能量有較大損耗。二、注重學(xué)以致用和思維建模1. 夏天，海面上下層空氣的溫度比上層空氣的溫度低?？梢栽O(shè)想海面上的空氣是由折射率不同的許多水平空氣層組成的。景物發(fā)出的光線由于不斷被折射，越來(lái)越偏離原來(lái)的方向，人們逆著光線看去就出現(xiàn)了蜃景，如圖所示。則下列說(shuō)法正確的是

(

)A．蜃景是景物由于海平面對(duì)光的反射所成的像B．海面上上層空氣的折射率比下層空氣的折射率大C．甲是蜃景，乙是景物D．乙是蜃景，甲是景物解析：當(dāng)大氣層比較平靜時(shí)，空氣的密度隨溫度的升高而減小，對(duì)光的折射率也隨之減小，海面上下層空氣的溫度比上層空氣的溫度低，空氣的折射率下層比上層大，B錯(cuò)誤；遠(yuǎn)處的景物發(fā)出的光線射向空中時(shí)，不斷被折射，射向折射率較低的上層的入射角越來(lái)越大，當(dāng)光線的入射角大到臨界角時(shí)，就會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象，在地面附近的觀察者就可以觀察到由空中射來(lái)的光線形成的